超音速火焰噴涂技術(shù)在葉輪修復(fù)中的應(yīng)用

孫國琴，李文欣，李農(nóng)康，張志剛

（甘肅順域新材料科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

通過采用先進(jìn)的修復(fù)技術(shù)、嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量控制和精確的成本核算，使廢舊產(chǎn)品得以再利用，并達(dá)到良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，超音速噴涂技術(shù)以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為目標(biāo)，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。超音速噴涂技術(shù)以先進(jìn)的維修技術(shù)為基礎(chǔ)，由于其工藝的靈活性、涂層質(zhì)量的可控性和成本優(yōu)勢，在再制造中有廣泛的應(yīng)用。由熱噴涂技術(shù)的原理可知，粒子沉積前的狀態(tài)決定涂層的性能，包括粒子的速度、粒子的溫度及粒子的熔化狀態(tài)。粒子的速度對涂層的性能具有重要的作用，當(dāng)粒子撞擊基體表面時(shí)，高速可形成大的沖量，粒子的變形能力強(qiáng)，有利于涂層結(jié)合力和致密度的提高，超音速噴涂優(yōu)異的涂層性能得益于極高的粒子速度，近年來研究的熱門，冷噴涂技術(shù)，則完全依靠高速粒子的動能來沉積形成涂層。超音速火焰噴涂技術(shù)，能制備高性能的金屬、合金、金屬陶瓷涂層，在工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

1 超音速火焰噴涂技術(shù)

超音速火焰噴涂系統(tǒng)的原理是：利用煤油為燃料，液氧為助燃劑，控制系統(tǒng)將煤油和液氧以一定的流量輸送到噴槍，經(jīng)高性能霧化噴嘴霧化混合成可燃混合氣后噴入噴槍燃燒室，混合氣經(jīng)火花塞點(diǎn)火燃燒后形成高溫高壓的燃?xì)?，通過拉伐爾噴嘴將其加速到超音速。送粉系統(tǒng)將噴涂粉末從拉伐爾噴嘴的低壓區(qū)送入超音速射流，經(jīng)射流加溫加速后從噴槍噴出，高速噴向工件表面沉積形成涂層。噴涂系統(tǒng)的關(guān)鍵是通過調(diào)節(jié)進(jìn)入噴槍的煤油、助燃劑的流量比例來調(diào)節(jié)焰流的速度和溫度，從而控制噴涂粉末的加熱和加速，以滿足噴涂材料的要求，制備高性能的金屬涂層，合金涂層和氧化物陶瓷涂層。圖1為超音速火焰噴涂系統(tǒng)的焰流圖，由圖可知，焰流集中，射流擴(kuò)散角小，并出現(xiàn)了超音速焰流所特有的馬赫錐，表明焰流的速度達(dá)到超音速。對WC-12Co涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，涂層的結(jié)合強(qiáng)度大于90MPa，測試時(shí)的斷裂面出現(xiàn)在膠層，說明實(shí)際值大于測試值。

圖1 超音速噴涂系統(tǒng)焰流

由于石油化工流程泵的葉輪在運(yùn)行中受到流體物料的沖擊磨損和腐蝕，致使葉輪的葉片形狀嚴(yán)重缺損和變形。因此，使得化工流程泵的工作效率降低、輸出流體壓力和流量達(dá)不到流程所需的要求。為了保證化工過程的連續(xù)及穩(wěn)定，必須在葉輪使用兩周后更換葉輪。不僅使生產(chǎn)成本增加，而且因更換葉輪影響生產(chǎn)過程的連續(xù)進(jìn)行。那么，如何提高葉輪的耐磨性和耐腐蝕性增加使用壽命，針對已經(jīng)受損被更換后的葉輪。首先，使用激光熔覆技術(shù)對葉輪缺損部位進(jìn)行精確成型，達(dá)到增材制造的目的。然后，選用鈷基合金粉末和碳化鎢粉末用超音速火焰噴涂技術(shù)在葉輪葉片表面制備耐蝕及耐磨涂層。選用超音速火焰噴涂技術(shù)是因?yàn)樵摷夹g(shù)相比其他熱噴涂技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）噴槍結(jié)構(gòu)依據(jù)火箭發(fā)電機(jī)原理設(shè)計(jì)，燃燒室壓力最高達(dá)到150PSI，焰流速度達(dá)到2000m/s以上，輸出功率大且可無級調(diào)節(jié)。

（2）噴槍采用徑向送粉，使粉末可較好地溶化并均勻地分布于整個(gè)火焰中，提高了覆蓋效率和涂層的質(zhì)量。

（3）顆粒速度達(dá)1100m/s(3300～3900每英尺秒)。

（4）涂層可以達(dá)到90MPa的結(jié)合強(qiáng)度。

（5）粒子飛行速度高，沖擊能量大，涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高，涂層密度高，而且表面應(yīng)力為壓縮應(yīng)力。

（6）火焰溫度低，粉末粒子在火焰中停留和加熱的時(shí)間短，因此，其材料的相變、氧化和分解收到抑制，適合噴涂在高溫下極易分解和退化的碳化鎢等金屬材料。

（7）涂層厚度范圍寬，從幾十微米到幾毫米的涂層都能制備，且容易控制，噴涂效率高。

（8）可在各種基體上制備各種材質(zhì)的涂層，包括金屬、金屬陶瓷等。

（9）噴涂操作簡單，施工時(shí)間短，效率高，比較經(jīng)濟(jì)。

2 待修復(fù)葉輪現(xiàn)狀

石油化工流程泵（型號為DZA0100-80-160）在使用過程中，由于長期與煤渣介質(zhì)的接觸，致使其葉輪受到長時(shí)間的磨損與廢液腐蝕，導(dǎo)致葉輪葉片尺寸變小，表面出現(xiàn)腐蝕孔，無法正常按設(shè)定參數(shù)進(jìn)行作業(yè)，所以只能更換新的葉輪，且更換后的新葉輪使用壽命也較短。 受損流程泵及葉輪如圖2。

圖2 受損流程泵及葉輪

3 涂層性能實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 試樣制備

制備平板試樣2件，規(guī)格為35mm×45mm×3.5mm，涂層厚度為200μm，涂層材料為WC-Co12。附著力試樣1組（12個(gè)）。規(guī)格為Φ32mm×50mm，涂層厚度為 200μm，涂層材料為WC-Co12，每兩個(gè)試樣為一組，并用FM10000膠黏結(jié)如圖3所示試樣制備，圖中黃色部分為兩噴涂面的黏結(jié)層。

圖3 試樣制備

3.2 涂層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

使用POSITECTOR 6000型涂層厚度儀，VHX-2000C超景深體視顯微鏡，SHT4106微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，MVD-1000JMT2維氏硬度計(jì)。對涂層的厚度、孔隙率、附著力以及硬度進(jìn)行檢測。表1為涂層的結(jié)合強(qiáng)度，表2為涂層的顯微硬度。

表1 WC-Co12涂層的結(jié)合強(qiáng)度

表2 WC-Co12涂層的顯微硬度 HV300

3.3 鹽霧試驗(yàn)

根據(jù)葉輪的腐蝕特性，設(shè)計(jì)了銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(yàn)（CASS實(shí)驗(yàn)）。鹽霧試驗(yàn)參數(shù)為：檢測設(shè)備為AHL-120-NS鹽霧試驗(yàn)箱，樣品規(guī)格為Φ38mm×180mm，樣品狀態(tài)為圓柱狀光亮件試樣，無明顯缺陷。試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 WC-Co12涂層CASS試驗(yàn)

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在涂層厚度為220～280μm時(shí)：

（1）分析涂層微觀結(jié)構(gòu)，通過金相法測定涂層孔隙率＜1%，涂層中的孔洞、未熔顆粒、碳化物分布等均滿足要求；（2）涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)101MPa；（3）涂層平均顯微硬度可達(dá)1280HV；（4）鹽霧試驗(yàn)涂層保護(hù)等級為10級。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，制備的碳化鎢涂層致密，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，顯微硬度高，涂層的耐腐蝕性高。

5 修復(fù)過程及工藝參數(shù)

受損葉輪的修復(fù)分受損葉輪的形狀成型和表面耐磨、耐蝕涂層的制備兩個(gè)過程。

5.1 受損葉輪的形狀成型

根據(jù)葉輪葉片受損的不同部位，利用激光熔覆的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—機(jī)器人的三維空間任意行走的靈活性，將葉形模型置入機(jī)器人控制器，在控制器的控制下，激光頭準(zhǔn)確地在葉片缺損部位將填充金屬粉末熔化、成型。

5.2 待噴涂基體表面的預(yù)處理

對已精確成型的葉輪進(jìn)行噴砂處理，以去除葉輪表面的油污和鐵銹，并生成一定粗糙度的表面，以利于涂層結(jié)合強(qiáng)度的提高。

噴砂工藝參數(shù)：使用16目金剛砂，噴砂距離為200mm，噴砂角度60°～70°，噴砂空氣壓力為0.65MPa。

5.3 噴涂工藝參數(shù)

使用HV-8000型超音速火焰噴涂系統(tǒng)制備碳化物涂層，工藝參數(shù)如下：

噴涂氣體和燃油工藝參數(shù)見表4。

表4 噴涂氣體及燃油參數(shù)

噴涂距離：380mm；送粉速度：0～200g/min。

圖4 修復(fù)處理后的葉輪

蘭石化公司使用我們用超音速噴涂修復(fù)強(qiáng)化的葉輪后發(fā)現(xiàn)，葉輪的性能遠(yuǎn)超未經(jīng)過噴涂的葉輪。蘭石化公司之前使用更換后的新葉輪一般壽命為15天左右，在相同工況下，噴涂了碳化鎢的葉輪壽命可達(dá)70天左右。不僅使用壽命提高了4.5倍以上，而且在質(zhì)量上更加穩(wěn)定可靠。大大節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本和更換部件的時(shí)間成本。另外，在葉輪維修成本效益方面，采用此方法修復(fù)強(qiáng)化的葉輪費(fèi)用是更換新葉輪的成本為1/3左右，由于特殊功能性材料碳化鎢形成的耐磨耐蝕耐沖刷的保護(hù)層，在以舊代新的基礎(chǔ)上，還延長了使用壽命，降低了維護(hù)成本，提高了石油化工流程泵的工作效率。在新品上預(yù)先進(jìn)行強(qiáng)化處理，效果最佳，使用壽命也會更長。

7 結(jié)語

用激光熔覆技術(shù)作為受損葉輪增材成型的方法方便快捷，并且有較好的結(jié)合強(qiáng)度，修復(fù)后無缺陷。超音速火焰噴涂制備的碳化鎢涂層孔隙率低、結(jié)合強(qiáng)度高及顯微硬度高、耐腐蝕好。修復(fù)后的葉輪的使用壽命一般可以達(dá)到原裝葉輪的4.5倍，可有效延長葉輪的使用壽命，提高流程泵的使用周期。